(57)【要約】【課題】  炭素繊維と銅の複合化させた放熱部材において、炭素繊維束が持つねじれに起因する炭素繊維の分布の不均一さ、及び高密度に炭素繊維を配置させることの困難さを解決し、生産性に優れた放熱部材の製造方法を提供する。【解決手段】  巻き出された炭素繊維束を、張力を付与した状態で銅メッキ浴槽に浸漬して連続メッキを行い、ついで定尺切断した後、型内に実質的に一方向に揃えて充填して放電プラズマ焼結により固化成形する放熱部材の製造方法であり、好ましくは、銅メッキ浴槽内で炭素繊維束に気体を吹き付ける放熱部材の製造方法である。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
巻き出された炭素繊維束を、張力を付与した状態で銅メッキ浴槽に浸漬して連続メッキを行い、ついで定尺切断した後、型内に実質的に一方向に揃えて充填して放電プラズマ焼結により固化成形することを特徴とする放熱部材の製造方法。
【請求項２】
銅メッキ浴槽内で炭素繊維束に気体を吹き付けることを特徴とする請求項１に記載の放熱部材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置等の冷却対象からの熱伝達を促進する放熱部材の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体装置であるマイクロプロセッサ、パワートランジスタ、ＩＧＢＴ等においての熱対策は、装置の安定動作にとって欠くことのできない重要技術となっている。このような分野においては、熱伝達能力の高いＡｌやＣｕ等の金属材料を用いた放熱部材が一般に用いられている。しかし、金属の中では高熱伝導特性のＣｕであっても、その熱伝導率は４００Ｗ／（ｍ・Ｋ）程度であり、しかも比重が８．９（Ｍｇ／ｍ３）と大きく重いという欠点がある。
【０００３】
そのため、近年このような金属材料に変えて、軽量で熱伝導率の高い炭素繊維を使用し、この炭素繊維と金属材料の複合材料を放熱部材として適用する提案もある。たとえば、特開２００３−４６０３８号（特許文献１）では、炭素繊維と金属材料を複合化させるために炭素繊維にＮｉ，Ｃｕ等の金属メッキを施し、ついで金属材料の溶湯を含浸して溶湯鍛造する方法、あるいは金属メッキ後の炭素繊維をホットプレスして固化成形する方法が開示されている。このホットプレスによる方法では、炭素繊維の表面に施された金属メッキは、ホットプレス時の緩衝材となり、各炭素繊維間を埋める接合剤としての役割を果たす。
このように炭素繊維にメッキを施す方法は、炭素繊維と金属材料を複合化させる技術として有効な手段であると考えられる。特に、銅は、金属材料の中では高い熱伝導率を有するとともに、メッキのし易い元素であるという点から、炭素繊維への銅メッキは、きわめて有効な複合化手段である。
【特許文献１】特開２００３−４６０３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
炭素繊維にあらかじめ銅メッキを施す場合、メッキ液に炭素繊維を浸漬して、できるだけ均一な厚さのメッキを形成する必要がある。さらに、熱伝達の均一性が厳しく求められる、たとえば半導体装置用途においては、放熱部材中に炭素繊維をできるだけ均一に、且つ高密度で配置しなればならない。
一般に炭素繊維はその極めて細い線径と、脆い性質から１本の炭素繊維としては市場に流通しておらず、多数の繊維を織り込んだシート状や束状の炭素繊維をボビンに巻いた形態で流通している。
炭素繊維の熱伝導特性が繊維の長手方向に特に優れるという特長から放熱部材の用途への適合のためには、長手方向に揃った束状の炭素繊維の利用が好ましいものとなる。
【０００５】
しかし、このような炭素繊維束においては、炭素繊維自体が完全な直進材ではないこともあり、束として様々なねじれを有しており、その矯正は困難であるという問題がある。炭素繊維束が持つねじれは、メッキの均一性を阻害し、ひいては放熱部材中の炭素繊維の分布を不均一にする原因となる。また、炭素繊維束がねじれていると、製造する放熱部材中に高密度に炭素繊維を配置させることが難しくなるという問題もある。
本発明の目的は、このようなねじれを少なからず有する炭素繊維束から、炭素繊維を金属と複合化した放熱部材を生産性よく製造できる放熱部材の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者は、張力を付与した状態での炭素繊維束へのメッキと、定尺切断後の放電プラズマ焼結法の適用が、均一に分散された炭素繊維を有する放熱部材を生産性良く製造するのに有効であることを見出し、本発明に到達した。
【０００７】
すなわち本発明は、巻き出された炭素繊維束を、張力を付与した状態で銅メッキ浴槽に浸漬して連続メッキを行い、ついで定尺切断した後、型内に実質的に一方向に揃えて充填して放電プラズマ焼結により固化成形する放熱部材の製造方法である。好ましくは、銅メッキ浴槽内で炭素繊維束に気体を吹き付ける製造方法とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、炭素繊維が均一に分散した放熱部材を生産性良く製造できるため、各種半導体装置を含む熱対策の必要な装置の実用化にとって欠くことのできない技術となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
上述したように、本発明の重要な特徴は、張力を付与した状態での炭素繊維束へのメッキと、定尺切断後の放電プラズマ焼結法の適用にある。
まず、本発明においては、銅メッキを実施するのであるが、銅メッキは基本的には放熱部材とした時の炭素繊維間の保持と、銅自身の熱伝導性による総合的な熱伝導特性の確保を目的のために実施する。
本発明においては、張力を付与した状態でこの銅メッキを行うことにより、少なからず存在する炭素繊維束のねじれが解かれた状態でメッキを進行させることができる。特にメッキ浴槽中で行う銅メッキは炭素繊維への浸透性が極めて優れており、繊維一本一本にメッキを形成することができ、これにより炭素繊維が拘束され、メッキ後の炭素繊維束に直進性を付与できる。
【００１０】
本発明の製造方法では、使用する炭素繊維の種類を特に限定せず、ＰＡＮ系やピッチ系などの炭素繊維を用いることができるが、放熱部材の熱伝導率を高めるためには、グラファイト構造を有した炭素繊維が有効である。また、連続メッキを行うためには、１００ｍ以上の長さの炭素繊維束が連なった長繊維であることが望ましい。一般に、グラファイト構造を持つ炭素繊維の引張強さは３０００〜４０００（ＭＰａ）であり、本発明において、メッキ浴槽内で付与する張力は、上記引張強さの１／１００〜１／１０程度、すなわち３０〜４００（ＭＰａ）の範囲が適正である。その理由は、張力が小さすぎると、炭素繊維束のねじれを解くのに十分ではない場合があり、逆に張力が大きすぎると、炭素繊維束の切断や折れの可能性が出てくるのとともに、炭素繊維束を構成する各炭素繊維どうしの間隔がなくなり、各炭素繊維の表面に均一な銅メッキを施すことが難しくなるためである。
また、本発明において、銅メッキ浴槽内で炭素繊維束に気体を吹き付けると、気体によって炭素繊維束を構成する炭素繊維同士の間隙が広がり、銅メッキの均一性をさらに高め、安定した品質を得ることが可能となる。
【００１１】
上記のように直進性を確保され、且つ銅メッキを施された炭素繊維束は、脆さが改善されるため、容易に定尺切断することができる。
本発明では、定尺切断した炭素繊維束を型内に実質的に一方向に揃えて充填する。ここで、炭素繊維束を一方向に揃えるのは、放熱部材の繊維方向の熱伝導率を高めるためである。炭素繊維束の直進性が確保されていると、この型内への充填も容易であり、放熱部材の生産性を高める上できわめて有効である。このように、炭素繊維を実質的に一方向に揃えた状態で放電プラズマ焼結することによって、炭素繊維表面の金属メッキ部分が短時間で拡散接合し炭素繊維間の空隙が埋まっていき、炭素繊維間隔をより狭くした炭素繊維を金属と複合化した放熱部材を得ることができる。
【００１２】
本発明では、型内に充填した炭素繊維を固化成形する方法として、放電プラズマ焼結を適用する。この技術はホットプレスとよく似ているが、加圧焼結の初期段階に発生する放電プラズマと放電衝撃圧力によって拡散が促進されるので、ホットプレスと比較して短時間で焼結を完了させることができる。それ故、ホットブレスのように、焼結時の加圧加熱に長時間を要するという欠点を解消できる。
【００１３】
以下、図１に示す本発明におけるメッキ工程の一例を示す概略図を用いて説明する。
図１において、炭素繊維束１は、駆動ローラ６により、巻き出しロール２から巻き出され、酸洗−洗浄等のメッキ前処理工程（図示せず）を経由して銅メッキ浴槽３に浸漬され連続銅メッキが施される。メッキ後の炭素繊維束１は、洗浄−乾燥等のメッキ後処理工程（図示せず）を経て、ガイドロール７により、固定刃と可動刃によって構成される切断装置８に導かれ、ギロチン式に定尺切断される。
切断されて得られた炭素繊維片１０は、回収ボックス９で回収される。ここで、銅メッキ浴槽内における炭素繊維束１に付与する張力は、張力付与装置５によって制御される。
張力付与装置５としては、ダンサーロールやトルクコントロールが可能なローラ等を使用することができる。
また、図１においては、銅メッキ浴槽３内に設置したバブリング装置４により、炭素繊維束１に気体を吹き付ける可能としている。吹き付ける気体としては、空気、窒素、アルゴン等、容易に使用できるもので良い。
【００１４】
炭素繊維束１を切断する切断装置８としては、図１に示したギロチン式以外にも、円板刃を用いたローラカッター等を用いて切断することもできる。特にギロチン式は、可動刃の高速動作が可能であり、有効である。また、図１では切断中における炭素繊維束１の停止動作を考慮していないが、ダンサーロール等とステッピングモータ等を組み合わせて断続的な送り動作とすることで、切断時に炭素繊維束１を停止させ、切断に伴う曲がりを抑制することも可能である。
尚、図１では、銅メッキ後の炭素繊維束を巻き取らずに、直接、切断しているが、必要に応じて銅メッキ後の炭素繊維束を一旦、巻き取ってから、再度、巻き出して定尺切断してもよい。
【００１５】
次に、回収ボックスで回収した炭素繊維片１０を焼結用型に一方向揃えて充填し、繊維の長手方向と垂直な方向から加圧しつつ、放電プラズマ焼結によって固化成形する。このときの、放電プラズマ焼結の条件としては、最高到達温度６００〜１０００℃、圧力３０〜１００ＭＰａ、保持時間１〜２０分が望ましい。
以上の製造方法を適用することにより、炭素繊維束のねじれによるメッキ均一性の阻害、炭素繊維を均一かつ高密度に配置する困難さといった問題を解決することができ、高熱伝導率の放熱部材を生産性良く得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明におけるメッキ工程の一例を示す概略図である。
【符号の説明】
【００１７】
１．炭素繊維束  ２．巻き出しロール  ３．銅メッキ浴槽  ４．バブリング装置  ５．張力付与装置  ６．駆動ローラ  ７．ガイドロール  ８．切断装置  ９．回収ボックス  １０．炭素繊維片
【図１】
2006269828.tif 000003